科普知识 土卫二的地形地貌.docx

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科普知识土卫二的地形地貌

科普知识：

土卫二的地形地貌

　　土卫二（Enceladus）是土星的第六大卫星，于1789年为威廉·赫歇尔所发现。

在旅行者号于1980年代探测土星之前，人们只知道土卫二是一个被冰覆盖的卫星。

旅行者号显示土卫二直径约为500公里（相当于土星的卫星土卫六直径的十分之一），而且其表面几乎能反射的阳光。

旅行者1号发现土卫二的轨道位于土星E环最稠密的部分，表明两者之间可能存有某种联系；而旅行者2号则发现：

即使该卫星体积不大，但是在其表面既存有古老的撞击坑构造，又存有较为年轻的、地质活动所造成的扭曲地形构造——其中一些地区的地质年代甚至只有1亿年。

　　为了探索土卫二，美国宇航局于二十世纪末发射卡西尼号太空船，并于二十一世纪初抵达土星附近，为科学研究提供了大量的数据。

探究表明，土卫二是外太阳系中迄今为止观测到存有地质喷发活动的三个星体之一（另外两个分别是木卫一和海卫一）。

分析认为喷射的物质是星体表面以下的液态水；同时，在喷射的羽状物中亦发现了奇特的化学成分，所以土卫二也被认为是天体生物学的重要研究对象。

2020年3月，东京大学、日本海洋研究开发机构等与欧美的国际团队一道，在土星的二号卫星——土卫二上发现存有热水的环境。

这是人类首次在太阳系中发现存有于地球之外的可供生命存有的环境。

　　地形地貌

　　大小与外形

　　土卫二是一颗相对较小的卫星，平均直径为505公里，只有月球直径的七分之一，比不列颠岛的长度还稍小而其大小也和不列颠岛不相上下。

而亚利桑那州和科罗拉多州也能够容得下这颗卫星。

不过若论其球体面积则比以上这些区域要大得多，它的面积达80万平方公里，相当于莫桑比克的国土面积，比得克萨斯州大15%土卫二的质量和直径都位列土星卫星的第六位，居于土卫六（5150公里）、土卫五（1530公里）、土卫八（1440公里）、土卫四（1120公里）和土卫三（1050公里）之后。

它也是土星拥有的最小的球状卫星之一除了它和土卫一（390公里）之外，其他的小卫星均为不规则形状，

　　事实上土卫二为一个扁平椭球体，依据卡西尼号发回的照片实行测算土卫二的三轴长度为513（a）×503（b）×497（c）公里，其中（a）为面向土星面与背向土星面两极间的距离，（b）为星体凹面与凸面两极间的距离，（c）为南极与北极之间的距离。

土卫二围绕其短轴自转，而其长轴则成放射状地偏离土星。

　　表面

　　1981年8月，旅行者2号在人类历首次近距离地观测土卫二。

对获得的图像信息实行分析后，科学家们发现了至少五种不同的地形，包括撞击坑地形、平坦地形（较年轻），而在平坦地形附近，则往往分布着山脊另外还观测到大量的线性地缝和悬崖。

鉴于在平坦地区分布的撞击坑较少，科学家推测这些平坦地区的形成时间可能只有几亿年。

所以，在较近的一段地质时间里，土卫二上必然发生了诸如“水火山”之类的地质活动，才能使得原先千疮百孔的地表平整如初。

固态水（冰）使得土卫二表面发生了很大变化，使其成为太阳系中反射率的天体它的几何反照率高达138%。

正因为它反射了如此之多的阳光，其平整地表的夜间温度仅为-198℃（较其他土星卫星寒冷）。

　　卡西尼号在2005年2月17日、3月9日、7月14日三次飞掠土卫二观测到了土卫二表面的更多细节。

例如旅行者2号所观测到的平坦地形实际上是一些撞击坑分布较少的地区，这类地区还分布有山脊和悬崖同时在地质年龄较大、撞击坑分布密集的地区，还发现了数目众多的地缝这证明在撞击坑大量形成之后，这个地区还经历了剧烈的地质运动另外在旅行者2号过去未详细勘测的地区，亦发现了几处较年轻的地形如南极附近的一处古怪地形，从土星卫星土卫二喷射而出的水冰射流看似从土星明亮一侧掠过。

这张照片是由美宇航局“卡西尼”号飞船拍摄的。

实际上，土卫二的运行轨道距土星大气顶端大约11.2万英里（约合18万公里）。

土卫二的冰冷间歇泉发现于2005年，它们位于这颗星球南半球的断裂带，据认为其喷射动力源于地表下的液态水层。

　　撞击坑

　　撞击坑是太阳系很多天体上存有的普遍现象。

土卫二的很多区域都被分布密度不同、破损水准不同的撞击坑群所覆盖。

在旅行者2号观测结果的基础上，科学家根据撞击坑分布密度的不同将其分为三类撞击坑地形单元。

其中ct1和ct2虽然在撞击坑破损水准上有所不同，但都包含了数目众多的、直径达10-20公里的撞击坑；而cp则是分布有少量撞击坑的平坦地区。

这种基于撞击坑密度（及与此相关的地表年龄）而实行的撞击坑地形细分支持了认为土卫二以前历过多阶段的地表重塑的观点。

　　近期卡西尼号的观测则提供了关于ct2和cp地形单元的更多详细信息。

这些高分辨率照片显示土卫二的很多撞击坑都出现了由粘性崩塌和结构性裂痕导致的严重破损。

粘性崩塌是重力的作用所造成的撞击坑及其他水冰构成的地形的破损，这个作用过程需要经历漫长的地质时间，并将最终使该地区的地势趋于平缓。

这个作用的效果取决于冰的温度，因为相较于温度较低、质地较硬的冰，温度较高的冰更容易遭到破坏。

经历了粘性崩塌作用的撞击坑一般都有一个凸形底部，有时甚至只剩下一圈坑缘。

图八左上角的大撞击坑——顿雅扎德撞击坑所拥有的凸形底部即是粘性崩塌作用的例证。

另外，土卫二表面的很多撞击坑也已遭到结构性裂痕的严重破坏。

照片底部中央偏右直径近10公里的撞击坑即是证明：

宽度只有数百米至一千米的细长的裂痕已经严重破坏了该撞击坑的边缘和底部。

迄今为止，几乎所有位于ct2地形单元中的撞击坑都有构造性变形的迹象粘性崩塌和结构性裂痕的作用都证明了——即使撞击坑地形地区是土卫二上地质年龄、撞击坑留存度的地区，但其中的几乎所有撞击坑都已处于某种被破坏的阶段。

　　地质构造

　　旅行者2号在土卫二上发现了几种地质构造，包括槽沟、悬崖和山脊等。

近期卡西尼号的观测表明土卫二上改变地貌的主要方式是构造作用。

土卫二上发现的一种更加引人注重的地质构造是裂痕，这些峡谷能够延伸至200公里长，宽度为5-10公里，深度为1公里。

图七显示了一条典型的大裂痕切割那些地质年龄较大、已经遭到结构性破坏的地区的景象。

图八底部亦显示了这种地质构造。

裂痕是一种较年轻的地质构造，因为它通常表现为切割其他地质结构，同时裂痕两壁有突出的露头。

　　土卫二上存有构造作用的另一例证是槽沟结构，它由一系列呈曲线状的槽沟和山脊构成。

这种条纹状结构最初是由旅行者2号发现的，通常是平坦地形与撞击坑地形的分野标志。

在图六和图十中均可见到这种地质构造（图十中的为撒马尔罕槽沟）。

这种槽沟地形容易令人联想起木卫三上的相似地貌。

不过土卫二的槽沟构造要比后者复杂：

木卫三上的槽沟为平行排列，而土卫二的槽沟排列则显得较为凌乱，形状也多为锯齿状。

引人注重的是卡西尼号在对撒马尔罕槽沟实行观测时发现了一些暗点（直径125-750米），它们平行排列于槽沟旁，有推测认为这些暗点是位于该地区的陷坑。

　　除此之外，土卫二表面还有多种地质构造。

图九显示了一种狭窄的断裂地形（通常有数百米宽），该地形由卡西尼号发现。

这些裂缝常常贯穿于撞击坑地形之中，其深度也只有一两百米。

其中的很多裂缝在其形成过程中受到了撞击坑所产生的微薄表土的影响，导致裂纹走向经常发生变化。

　　平坦地形

　　旅行者2号在土卫二表面发现了两种平坦地形。

这些地形的地势起伏较小，较之撞击坑地形，其撞击坑数目也很少这表明这种地质构造的产生年代较晚。

其中的典型——锡兰平原，从照片上就未发现可见的撞击坑。

而在锡兰平原西南方的另一个平坦地形，则纵横交错着数条槽沟和悬崖。

其后，卡西尼号也曾观测过这些平坦地形，其中包括了锡兰平原和蒂雅平原，并拍下了高分辨率的照片。

这些照片显示这些地形中其实布满了较低的山脊和较浅的裂缝。

当前认为，其中的裂缝是因为剪切形变造成的。

其中拍摄的锡兰平原的照片显示该地区仍存有着一定数量的微小撞击坑——依据这些撞击坑估计，该地区地表的年龄从1.7亿年到37亿年不等，具体年龄取决于撞击坑的分布情况。

　　卡西尼号对土卫二表面实行观测的区域的扩大使得更多的平坦地形得以发现，特别是在土卫二朝向轨道运动方向的球面上。

这些地形上布满了数目众多的槽沟和山脊，类似于南极地区的变形构造。

这些地形正好位于锡兰平原和蒂雅平原的球体对立面上，表明这个地区受到了土星引力潮汐的影响。

　　南极地区

　　2005年7月14日，科学家在卡西尼号飞掠土卫二时拍摄的照片中发现了一个位于南极地区、产生构造变形的特别区域。

该地区位于北纬60°区域，其间遍布裂缝和山脊，同时也存有着少量微型撞击坑，这表明这是土卫二表面最年轻的地貌，同时也是所有中等大小的冰冻卫星上的最年轻地貌；其间的撞击坑构造表明该地区的某些区域可能只有5万年的历史，甚至可能更年轻。

靠近该区域的中心区分布着4个裂缝带，以及众多的山脊——这些山脊被非正式地命名为“虎皮条纹”。

这些裂缝可能是该地区最年轻的地质结构，它们的四周分布着呈薄荷绿色、带有粗糙纹理的冰体——这些冰体在其他地区常常出现在岩石露头中或裂缝壁上。

在该地区的平坦地带中亦发现了“蓝”冰，这表明该地区十分年轻，以致还未来得及被覆盖上一层来自E环的带有细密纹理的冰体。

可见光和红外线测绘分光计（VIMS）的探测结果表明分布于“虎皮斑纹”四周的绿色物质在化学结构上与土卫二的其他地表物质存有差异，同时在“虎皮斑纹”中发现了透明的冰体，这说明这个地质构造十分年轻（可能小于1千年），或者该地质构造表面的冰体近期曾受到热源影响。

另外，该仪器还在“虎皮斑纹”中测得结构较简单的有机化合物，这在该卫星上尚属首次发现。

　　在7月14日的飞掠中，卡西尼号对南极地区分布“蓝”冰的地区之一实行了观测，并拍下了高分辨率的照片，照片显示该地区存有着剧烈的地质变形，并发现了一些直径为10—100米的巨石。

　　土卫二南极地区四周环绕着一系列相互平行的、呈Y形和V形的山脊和峡谷。

这些山脊和峡谷的形状、走向和位置都表明它们是土卫二的整体形变造成的。

最近，存有着两种理论解释这种地形形变的产生。

第一种认为：

土卫二绕土星运行的轨道缩小了，从而导致土卫二自转速度的提升，这种变化进而导致土卫二自转轴的调整。

第二种理论认为大量从土卫二内部喷发出的温暖的、低密度的物质导致了这种地形所在区域从土卫二南半球中纬度地区位移至高纬度地区。

结果，土卫二的椭球体将会因为这种变化做出相对应的调整。

根据自转轴变化理论所得出的推导结果之一是土卫二的南北两极均曾有过类似的地形变化。

不过与推论相反，土卫二的北极地区却密布着撞击坑，且地质年龄也较南极地区大得多。

土卫二地壳的厚薄不均或许能够解释这种差异。

这种地壳厚度的变化得到了南极地区边缘Y形、V形地形和毗邻南极的地区地质年龄之间相互关联的佐证：

Y形的、不连贯的地形和纵贯南北的断裂带均是较年轻的地形，推测亦认为这种地形对应的地壳厚度较薄；而V形地形则毗邻着那些地质年龄较大、撞击坑分布稠密的地区。

　　冰火山

　　在80年代初期旅行者号对土卫二实行了观测之后，科学家们基于以下理由认为该星体可能存有着地质活动：

年轻的、具有高反射度的表面和其处于E环核心区的位置。

土卫二和E环的联系使科学家猜想认为土卫二正是E环上散布的物质的来源——即从土卫二内部喷射出的水蒸气最终构成了E环。

不过，旅行者号的观测结果未能提供确凿证据证明土卫二现今仍处于活跃状态。

　　不过之后的卡西尼号上承载了多种仪器，通过这些仪器的观测，科学家最终发现了土卫二上存有着喷发水和其他易挥发物质、而非硅酸盐石块的冰火山。

2005年1月和2月，卡西尼号上的成像科学子系统（ISS）首次观测到土卫二南极地区喷发出的由细小冰晶构成的羽状物。

在2005年2月17日的飞掠中，磁力计观测到的关于土卫二大气的数据也证明之前成像科学子系统所观测到的现象是真实的——该数据显示当时土卫二附近的离子回旋波的能量有所增强。

离子回旋波是离子和磁场相互作用的产物，通过测定离子回旋波的频率能够确定物质的构成——经过测定，这种物质是经过电离的水蒸气。

在其后的两次飞掠中，磁力计发现土卫二大气中的气体绝大部分都集中于南极地区，其他地区的